极移、岁差和章动

伤我心太深

　　极移、岁差和章动
　　过去，有很长一段时期，人们认为，地球的自转是十分均匀的。其实，地球自转是变化的，不仅地球自转轴在空间的指向以及地球体相对地球自转轴的位置都在变化，而且自转的周期也在变化。地球自转轴空间指向的变化归结为岁差和章动;地球体相对自转轴的运动导致地极移动;地球自转周期的变化导致地球自转速度的不均匀。这三者都是新兴边缘学科“天文地球动力学”的重要课题。这里只简单介绍极移、岁差和章动。

　　一、极移

　　地球自转轴在地球本体内的移动造成了地极的移动，叫做极移。1765年欧拉在假定地球是刚性球体的前提下，最先预言极移的存在。1888年，德国的屈斯特纳从纬度变化的观测中发现了极移。

　　通过一百多年来的研究，发现极移包含各种复杂的运动：其一是地极的周年摆动，它的平均振幅为0.09″，主要是由于大气的周年运动引起地球的受迫摆动。其二是张德勒摆动，周期为432天，平均振幅为0.18″，是由于地球的非刚体引起的地球自由摆动。这种摆动为美国天文学家张德勒所发现，因而得名为张德勒摆动，其周期称为张德勒摆周期。其三是地极的长期漂移。

　　地极向着西经约70°～80°方向以每年3.3～3.5毫角秒的速度运动。


　　它主要是由于地球上北美、格陵兰和北欧等地区冰盖的融化引起的冰期后地壳反弹，导致地球转动惯量变化所致。此外，还存在周月、半月和一天左右的各种短周期极移。这些短周期的极移主要与日月的潮汐作用以及与大气和海洋的作用有关。观测表明，极移的轨迹表现为极点在±0.″4即相当于24米×24米范围内循与地球自转相同的方向描画出一条时伸时缩的螺旋形曲线。


　　由于极移，使地面上各点的纬度、经度会发生小的变化。为研究极移，1899年成立了国际纬度服务机构，组织全球的光学天文望远镜专门从事纬度观测，测定极移。参加的天文台站都位于北纬39°08′。国际极移服务始于1962年，我国的天津纬度站于1964年开始极移服务工作。随着观测技术的发展，从20世纪60年代后期开始，国际上相继开始了人造卫星多普勒观测、激光测月、激光测人卫、甚长基线干涉测量、全球定位系统测定极移，测定的精度有了数量级的提高。





　　二、岁差和章动


　　快速旋转的陀螺倾斜时，在重力的作用下，它的旋转轴会作圆锥式的运动，叫做陀螺的进动。地球也是一个旋转着的巨型“陀螺”。在日、月、行星引力作用下，地球自转轴围绕一条通过地球中心并且垂直于黄道面的轴缓慢而不停地作周期性的圆锥运动，这种运动叫做地球自转轴的进动。它造成赤道面的变化，使作为赤道面与黄道面两个交点之一的春分点向西移动。
　　太阳在黄道上视行的方向是自西向东的，春分点在黄道上移动的方向正相反，是自东向西的，每年西移50.29″。因此，太阳连续两次通过春分点，并没有在黄道上视行360°，只视行了360°-50.29″=359°59′9.71″。这就造成了回归年比恒星年约短20分24秒的岁差现象。公元前2世纪，古希腊天文学家喜帕恰斯在编制一本包含1022颗恒星的星表时，首次发现了岁差现象。


　　公元330年前后，我国晋代天文学家虞喜，根据对冬至日恒星的中天观测，独立地发现了岁差，测定冬至点每50年西移1°。据《宋史·律历志》记载：“虞喜云：尧时冬至日短星昴，今二千七百余年，乃东壁中，则知每岁渐差之所至”。岁差这个名词即由此而来。虞喜的发现虽略晚于喜帕恰斯，但比喜帕恰斯估计春分点每100年西移1°要精确。隋代刘焯确定岁差为75年西移1°，更接近正确数值，而当时西方仍沿用喜帕恰斯。

　　那么，为什么地球自转轴会发生进动产生岁差呢?这是因为地球是一个旋转椭球体，赤道直径大于两极直径，又因为赤道面与黄道面有一个23°26′交角的缘故。其中，日、月引力造成赤道面变化，而使春分点移动的分量称为日月岁差;行星引力造成黄道面的变化，而使春分点移动的分量称为行星岁差。两者的合量称为总岁差。

　　日月岁差使春分点每年向西移动50.42″，而行星岁差则使春分点每年向东移动0.13″。两者合成的总岁差使春分点每年向西移动50.29″，即大约71年多一点向西移动1°，25800年在黄道上移动一周。这个周期就是地球自转轴的进动周期。


　　上面的讨论，是假定月球在黄道平面上的简化情况。事实上，月球在白道上运行，白道与黄道相交成5°9′的角。即是说，月球时而位于黄道平面的上面，时而位于黄道平面的下面，这就使得岁差现象变得复杂。由于这个原因，北天极在绕着北黄极转动时，不断在其平均位置的上下做周期性的微小摆动，振幅约9″。这种微小的摆动叫章动。


　　目前天文学家已经分析得到的章动周期共有263项之多，其中章动的主周期项，即18.6年章动项是振幅最大项，它主要是由于月球在白道上的运动引起白道的升交点沿黄道向西运动，约18.6年绕行一周所致。因而，月球对地球的引力作用也有相同周期变化，在天球上它表现为天极在绕黄极作岁差运动的同时，还围绕其平均位置作周期为18.6年的摆动。同样，太阳对地球的引力作用也具有周期性变化，并引起相应周期的章动。

　　还需补充说明的是，地球自转轴的进动不仅造成岁差，而且还产生以下两种后果：


　　(1)由于地球自转轴的进动，使北天极约以25800年的周期围绕黄极运动。通常，我们将北极星的称号授予离北天极很近并易认的恒星。由于北天极在围绕黄极运动，指向星空的位置在发生变化，所以被称为北极星的星就不能固定不变。公元前3000年，天龙座α星是北极星。目前，小熊座α星是北极星，它离天北极的角距约为40′，正日益向天北极靠拢。大约在公元2100年前后，极距达到最小，只有27′38″。此后，小熊座α星将逐渐远离北天极，不再成为一颗北极星。到了公元14000年，北天第二亮星天琴座α星(织女星)将成为北极星。


　　(2)地球自转轴的进动造成春分点西移，而春分点是赤道坐标系和黄道坐标系的原点。由于它向西移动，对于赤道坐标系来说，恒星的赤经和赤纬，都会因此而有小的变化;对于黄道坐标系来说，只有恒星的黄经每年增加50.29″，而黄纬则不变。在不同历元，春分点位置不同，同一恒星坐标值也不同，需要把恒星位置化为属于所需的某一春分点的位置，即加上岁差改正。这就是天文学上所说的历元归算。

王金甲

地轴进动解岁差是谬误！

王亚萍太空授课时我们看到她拿起没有自转的陀螺，用手推陀螺轴端，陀螺翻滚运动没有出现进动情况。然后她将陀螺自转，我们看到自转的陀螺在空间也没有出现进动现象，王亚萍用食指推动陀螺的轴端，自转的陀螺受力后，其轴在太空中平行运动并没有出现进动现象。陀螺轴在太空中平行运动到聂海胜面前，聂海胜用食指推动陀螺轴的另一端，陀螺轴在太空中仍然平行运动到王亚萍的面前，两人推来推去其轴始终没有出现进动现象。此实验证明，在微重力环境作用下的自转天体具有定向性质，即使两端轴受力也不会产生进动现象。此实验足以证明地轴进动解岁差是谬误。